Что называют тепловыми явлениями
Какие физические явления называют тепловыми
Понятие теплового явления в физике — что это такое
В 1620 году философ Фрэнсис Бэкон первым предположил, что теплота связана с движением. Тем не менее почти до конца XVIII века все тепловые явления объясняли теорией теплорода, основателем которой называют Платона. Теплород считался рассеянным по всей материи, способным проникать в тела, «сочетаться» с ними и превращать твердые тела в жидкости, а жидкости — в газы.
В середине XVIII века возникла механическая теория тепла, какое-то время сочетавшаяся с материальной, или теорией теплорода. На первый взгляд кажется, что если рассматривать теплоту как материальную субстанцию (теплород), получаются одни законы, а если как род движения — совсем другие. Но в обоих случаях, при всей их несхожести, присутствует пара: закон сохранения плюс закон направленности процесса.
И все же с конца XVIII века механическая теория стала постепенно укореняться в физике и химии. А в начале ХХ века Альберт Эйнштейн закрыл вопрос о природе тепла, представив теорию броуновского движения молекул.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Какую роль играет в природе
Тепловые явления — это физические процессы, которые происходят с материальными телами при изменении температуры.
Жизнь на Земле напрямую зависит от главного природного источника тепла в нашей звездной системе — Солнца. Любое изменение температуры влияет на жизнь человека и окружающую его среду. Нагревание и замерзание воды, воздуха, смена агрегатных состояний любых веществ — все эти процессы связаны с температурой.
Признаки теплового явления, чем характеризуется
Признаки тепловых явлений:
При нагревании молекулы начинают быстрее обмениваться местами, при охлаждении — наоборот.
Среди самых распространенных тепловых явлений:
Формулы тепловых процессов
Обычно для решения учебных задач хватает формул, описывающих сам процесс изменения температуры, а также процессы смены агрегатного состояния.
Формула, связывающая массу, теплоемкость и температуру, дает описание любого процесса нагревания или охлаждения:
\(Q = C \times m \times \triangle t\)
Q — обозначение количества теплоты, С — теплоемкости, m — массы вещества, \(\triangle\) t — разность температур.
Теплоемкость — количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы нагреть тело на один градус. Теплоемкость — характеристика вещества, а не теплоты.
Для процессов со сменой агрегатного состояния вещества нужны специализированные формулы.
описывает процессы плавления и отвердевания. \lambda здесь — удельная теплота плавления.
описывает процессы парообразования и конденсации. L здесь — удельная теплота парообразования.
Любые тепловые процессы подчиняются законам термодинамики. Закон сохранения энергии, или Первое начало термодинамики:
\(\triangle\) U = Q + W
Также U определяется суммой получаемого количества теплоты Q и совершенной над телом работы W’:
U = Q + W’
Второе начало термодинамики: для любого сколь угодно сложного циклического обратимого процесса сумма величин Q/T с учетом знака теплоты (получаемой — с плюсом, отдаваемой — с минусом) равняется нулю.
Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус предложил все превращения описать единым образом, с помощью одной величины — универсальной функции Q/T. Ее он назвал эквивалентом превращений, а Второе начало сформулировал как принцип эквивалентности превращений.
В любом тепловом процессе происходит двойное превращение теплоты и работы: сначала теплота преобразуется в работу, а потом наоборот — работа в теплоту. Причем механическая энергия может переходить в теплоту полностью, а тепловая в механическую — только частично.
Клаузиус ввел понятие энтропии \(\triangle S\) — величины, описывающей взаимные превращения теплоты и механической работы.
Оставаясь в рамках термодинамики, т. е. глядя на систему снаружи, это самое большее, что можно сказать о взаимоотношениях разных видов энергии — тепловой и механической.
Если же перейти к внутреннему устройству системы и рассматривать теплоту как беспорядочное движение составляющих систему частиц, то превращение теплоты в работу окажется преобразованием энергии хаотического движения молекул в работу системы в целом и наоборот. Тогда энтропию следует понимать как степень хаотичности, или неупорядоченности, такого движения.
Окончательно законы термодинамики, связанные с энтропией, можно сформулировать так: в любом необратимом процессе энтропия всегда возрастает, а в обратимом — остается постоянной.
При стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия также стремится к нулю:
\(S \rightarrow 0\) при \(Т \rightarrow 0\)
Это Второе и Третье начала термодинамики.
Области применения теплового явления на практике
Тепловые процессы крайне важны в таких отраслях промышленности, как химическая, металлургическая, пищевая, деревообрабатывающая, машиностроительная и т. д. Наука метеорология занимается почти исключительно изучением тепловых процессов в атмосфере.
Тепловые явления
Вы будете перенаправлены на Автор24
Основным источник энергии для нашей планеты является Солнце. Энергии такого мощного теплового агрегата лежит в основе всех физических явлений, происходящих на поверхности и в атмосфере Земли. Охлаждение, нагревание, кипение, испарение, конденсация – это всего некоторые доказательства того, что солнечные явления происходят вокруг нас. Никакие процессы в природе не могут происходит самостоятельно, поэтому все в нашем мире взаимосвязано.
Рисунок 1. Тепловые явления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Многие древние философы изучали огонь и связанную с ним теплоту как одну из природных стихий, которая вместе с водой, землей и воздухом является началом для всего живого. Параллельно с такими учениями предпринимались попытки соединить теплоту с движением элементарных частиц, которые при соударении тел начинали нагреваться.
Любые тепловые явления формируются посредством получения тепла от внешних родников в виде огня, воды, Солнца и так далее. Для дальнейшего правильного понимания того, что собой представляют тепловые явления, нужно дать определение теплоты.
Теплота – особое энергетическое свойство теплообмена, которое определяет количество отдаваемой или получаемой энергии при взаимодействии тел.
Количественно ее можно обозначить коэффициентом температуры: чем она выше, тем большей энергией обладает определенное тело.
Ученые выделяют три способа передачи теплоты:
Готовые работы на аналогичную тему
В процессе постоянной взаимосвязи физических тел друг с другом происходит систематическая передача тепла от горячего к холодному элементу. Этот процесс в науке называется теплопередачей, но все тепловые процессы обладают не только этим показателем, но и таким понятием, как теплопроводность.
Тепловые процессы
Движение молекул в тепловом аспекте никогда не прекращается, так как любой тело характеризуется определенной внутренней энергией. Данный коэффициент напрямую зависит от температуры изучаемого вещества, агрегатного состояния тела и других физических моментов, самостоятельно функционирующих посредством механического движения.
Изменение внутренней активности тела без совершения указанной работы называется теплопередачей.
Этот процесс всегда происходит в направлении от тела с более высокой температурой к элементу с низкой температурой.
Тепловые процессы – вариация тепловых явлений, при которых кардинально видоизменяется уровень температуры веществ и тел, а также вероятно трансформация их агрегатных состояний.
К тепловым процессам относятся:
До возникновения данной системы тепловые явления с точки зрения физики объяснялись посредством понятия “теплород”. Ученые древности были уверены, что каждое вещество на земле обладает конкретной субстанцией, аналогичной по составу жидкости, выполняющей роль, которую в нынешнем представлении решает теплота. Но от необычной идеи теплорода отказались только после того, как была озвучена концепция появления тепловых процессов.
Количество теплоты
Совокупный коэффициент теплопроводности считается мерой возможности любой конструкции здания (например, стены) пропускать определенный поток солнечного света и тепла.
Этот показатель представляет собой комбинированную тепловую величину, которая состоит из всех материалов построения с учетом важных промежутков в воздушном пространстве. Исследовать тепловой режим сооружений и проектировать качественное отопление невозможно без понимания сущности природы тепла и механизмов его правильного переноса.
Исследователи основывают свою работы на таких двух основных вида измерения тепловых процессов:
Таким образом, коэффициент теплоты характеризуется количество подвод и тепловых элементов, которые способны вызывать охлаждение или нагревание воды при определенном атмосферном давлении. В качестве основного материалов работе используется вода благодаря своей общедоступности. Значение этих условий заключается в том, что производство тепла требует денежных ресурсов. Стоимость напрямую зависит от расхода тепловых процессов и от плотности потока потерь из строения в окружающую среду.
Размер теплового потока пропорционален разности температур между помещением и источником тепла. Таким образом, тепло может покинуть здание значительно быстрее в пасмурный день, чем в умеренный. Это предполагает, что при возведении нового сооружения необходимо учитывать все средства для поддержания постоянной нормальной температуры.
Практическое применение
Теперь возможно более тщательно рассмотреть практическое использование ранее введенных определений. Так, теплопроводность предоставляет теплообмен между физическими телами и внутри самого исследуемого материала. Высокие показатели этого критерия свойственны металлам, которые позволяет осуществить необходимый подвод тепла к готовящимся продуктам. Однако и материалы с низкой теплоотдачей находят свое активное применение, выступая в роли теплоизоляторов для препятствия потере тепла.
Благодаря использования таких материалов возможно обеспечить комфортные условия для нормального проживания в жилых домах. Однако вышеуказанными методами теплопередача не ограничивается. Существует еще вероятность передачи тепловых процессов без прямого контакта тел.
Систематические потоки горячего воздуха от радиатора или системы отопления в квартире. От нагретого обогревателя будет обязательно исходить поток теплого воздуха, осуществляя полноценный обогрев помещения.
Указанный способ обмена теплом называется конвекцией, благодаря которой теплопередача происходит путем потоков жидкости или газа.
В связи с этим, можно определить еще один метод теплопередачи – тепловое регулярное излучение, которое обуславливается мощным электромагнитным излучением нагретого вещества. Именно таким образом Солнце обогревает нашу планету.
Стоит отметить, что тепловые явления, бесспорно, играют важную роль в жизни каждого человека, животных и растений. Изменение температуры воздуха на 2030° С при смене времени года будет видоизменять все вокруг нас. От температурного режима окружающей среды зависит возможность нормальной жизни на Земле. Люди за весь период истории смогли получить относительную независимости от природных факторов после того, как научились добывать и поддерживать огонь.
Тогда это считалось самым великим открытием, которое было сделано на заре развития современного общества. История эволюции представлений о сути природы тепловых явлений можно назвать хорошим пример того, каким противоречивым и многогранным путем постигают научную истину. Первые успехи в данной сфере науки относятся к началу XVII столетия, когда миру был представлен термометр, а следом появился шанс количественного изучения тепловых процессов и принципов макросистем.
Общие сведения
В обычной жизни человечество постоянно становится свидетелем тепловых явлений, происходящих в природе. Например, выпадение снега, дождя, образование росы. Все эти процессы связаны с температурой, а именно изменением тепловых движений. Любое вещество состоит из молекул или атомов, взаимодействующих между собой. Эти частицы находятся в постоянном беспорядочном колебании и движении. Характеризуется этот процесс кинетической энергией, которая содержится внутри тела.
Как показали исследования, насколько уменьшается механическая энергия, настолько увеличивается внутренняя. Это правило назвали законом сохранения. То есть значение существующей энергии в природе — всегда постоянная величина. Именно поэтому тепловые колебания никогда не прекращаются. Количество внутренней энергии зависит от многих факторов, но особо значимым из них является температура. Если её значение изменяется без совершения работы, то говорят о прохождении теплопередачи.
Существует несколько типов процессов, сопровождающихся изменением температуры или переходом из одного агрегатного состояния в другое. В зависимости от происходящего действия к тепловым явлениям относятся:
Эти явления могут изучаться не только на уроках физики, но и на химии, металловедении. Они используются при разработке различных устройств, учитываются при проведении строительных работ. Так, при прокладке трубопроводов делается изгиб п-образной формы. Это позволяет избежать деформации и разрушения. Рельсы устанавливаются с зазором, а провода на столбах навешивают так, чтобы они свисали. Все эти мероприятия позволяют бороться с тепловыми явлениями, которые обязательно необходимо знать и учитывать.
Тепловой баланс
Равновесие — это термин, довольно часто используемый в физике. Под ним понимают состояние, в котором тело может находиться сколь угодно долгое время при условии, что на него не воздействуют внешние силы. Чтобы разобраться в тепловом равновесии, нужно рассмотреть пример.
Пусть есть два бруска, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Один из них нагрет, а второй, наоборот — охлаждён. Эти два тела можно привести в соприкосновение. При этом будет происходить одновременно два явления:
Через некоторое время под действием этих явлений установится устойчивое состояние. Горячий и холодный объектыпримут одинаковую температуру, то есть станут тёплым. Это состояние может сохраняться в замкнутой системе продолжительное время. Другими словами, наступит явление теплового равенства. Это один из важнейших законов природы, определение которого звучит так: в состоянии равновесия физическая система имеет одинаковую температуру в любой точке.
Степень нагрева или охлаждения характеризуется температурой. Определить её можно различными способами. Самый простой из них — использовать тактильные ощущения. Но это приблизительный метод — субъективный. При изменении температуры происходит хаотичное движение молекул, которое в конце концов приводит к диффузии.
При взаимном проникновении молекул веществ происходит заполнение ими промежутков в структуре тела. Можно провести простой эксперимент. Например, взять колбу и налить на её дно подкрашенную воду, а сверху — чистую. Через некоторое время граница между средами станет размытой. Это и есть простой пример произошедшей диффузии. Теперь если эту колбу нагреть или охладить, то можно будет заметить, что процесс смешивания происходит с разной скоростью. Так, при низкой температуре скорость движения молекул становится меньше по сравнению с высокой. Другими словами, снижается энергия движения.
Следовательно, чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия (СКЭ) хаотичного перемещения его молекул. Таким образом, чтобы определить нагрев или охлаждение, нужно измерить СКЭ. Сделать это на опыте невозможно. Но как оказалось, от температуры зависят многих характеристики вещества. Одна из них — объём. На этом явлении и основана работа термометра, устройства, способного количественно определить температуру вещества.
Расширение тел, газов, жидкостей
Явление, характеризующее изменение геометрических размеров тела или объёма, получило название тепловое расширение. Большинство веществ при нагревании увеличивают свои размеры, но встречаются и исключения. Например, вода при температуре от 0 до 4 градусов Цельсия уменьшает свой объём. Как оказалось, тепловому расширению подвержены тела, находящиеся в любом агрегатном состоянии:
Твёрдые тела относятся к веществам, у которых явление расширения или сжатия имеет небольшую степень. Для того чтобы зарегистрировать изменения длины, используют специальный прибор. Но наглядно увидеть эффект можно и самостоятельно. Например, пусть имеется медная трубка, закреплённая одним концом в тиски, а второй лежит на подставке. Чтобы наблюдать изменение длины при нагреве, можно положить на подставку стекло, а на него — иголку. Если при нагревании трубка будет удлиняться, то игла начнёт катиться. Это и произойдёт при опыте.
Почему это происходит, объяснить довольно просто. Стержень удлиняется из-за увеличения расстояния между молекулами. То есть сначала частицы колеблются в состоянии равновесия с установившейся амплитудой. Когда происходит нагрев, то размах увеличивается. При этом размеры молекул остаются неизменным. Следовательно, возрастает расстояние между частицами — твёрдое тело удлиняется.
Увидеть, как будет изменяться от температуры жидкость, можно, поместив колбу с водой в кипящий раствор. При этом водяной столб сначала опустится на некоторую величину, а потом будет набирать высоту. Происходит это явление из-за того, что первоначально нагрелась колба, а затем уже вода. В результате сначала объём сосуда увеличился, и вода как бы провалилась. Затем начинает прогреваться жидкость, и водяной столб возрастает. Из эксперимента можно сделать важный вывод — текучие вещества расширяются сильнее, чем твёрдые.
Аналогичный опыт можно провести для колбы, наполненной газом. Внизу неё налита подкрашенная жидкость, в которую вставлена трубочка, выходящая наружу через пробку. Если сосуд начать нагревать, то станет довольно заметно, как под влиянием тепла будет подниматься жидкость. То есть под действием увеличивающего давления газа происходит вытеснение воды из-за расширения.
Количественное описание расширения
Изменение линейных размеров тела с учётом температурной зависимости характеризуется коэффициентом теплового расширения. Это физическая величина, показывающая, как меняется объём при росте температуры на один градус по кельвину. При этом давление должно оставаться неизменным.
Каждое вещество в зависимости от своего строения характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения. Обозначают его с помощью буквы α, а для вычисления его значения используют формулу: α = ΔL / L * ΔT, где: ΔT — увеличение температуры, ΔL — изменение длины вещества, L — первоначальный размер. Это табличная величина.
Таким образом, если необходимо узнать, какое значение примет линейное расширение, нужно воспользоваться выражением: ΔL = α * L * ΔT. Аналогичные формулы используют и для расчёта изменения объёма или площади тела. В простом случае, при котором коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, материал будет равномерно расширяться во все стороны.
Но, как показывает практика, не все вещества, особенно твёрдые тела, равномерно расширяются по всем направлениям. Причём не все материалы удлиняются одинаково. Самый яркий пример — вода. В интервале от 0 °C до +4 °C коэффициент α принимает отрицательное значение. Из-за этого природного эффекта моря и океаны никогда не промерзают до дна. Ещё одно аномальное свойство воды в том, что при превращении в лёд её удельная плотность уменьшается.
Изучаемые в 8 классе на физике тепловые явления жизненно важны для человечества. Так, любой инженер, составляя проект металлоконструкций, не может не учитывать возможного перепада температур в течение года. Например, при постройке мостов используется секционное строительство со специальными буферными зонами. Иначе зимой его может просто разорвать, а летом — вздыбить.
Тепловые явления: виды, признаки и примеры в физике
Содержание:
В далеком 1620 году великий английский философ и ученый Френсис Бекон, размышляя о физической природе тепла, впервые предположил, что теплота имеет связь с движением. Мы все можем это наблюдать воочию на простом примере – при нагревании воды до определенной температуры (100 С) она начинает кипеть. Происходит это из-за того, что с повышением температуры ускоряется движение молекул в воде (как впрочем, и в любом другом веществе). То есть Френсис Бекон был абсолютно прав в своих догадках, которые позднее подтвердили и многие другие ученые, а в физике появился большой раздел, называемый термодинамикой, который собственно и изучает тепловые явления, их суть и природу. О значении тепловых явлений в физике мы поговорим в нашей статье.
Общие сведения и примеры
Мы все с вами порой сами того не подозревая являемся свидетелями тепловых явлений в той или иной форме. Например, когда готовим себе чай или завариваем кофе. Такие природные явления как выпадение снега или дождя, образование росы, замерзание водоемов и образование льда также прямо связаны с изменениями температуры и определенными тепловыми движениями. Теперь давайте дадим общее определение того, что представляют собой тепловые явления.
Итак, тепловые явления это все физические процессы, происходящие с материальными телами под воздействием температуры.
Роль в природе
Роль тепловых явлений в природе сложно переоценить, так как появление жизни на Земле неразрывно связано с главным источникам тепла – Солнцем. И любое изменение температуры имеет огромное влияние и на окружающую среду нашей планеты и как следствие на всю эволюцию жизни на Земле.
Признаки и виды
Есть два главных признака тепловых явлений, причем второй признак является следствием первого:
Ярким примером второго признака является испарение жидкостей, которые при нагревании переходят в газообразное состояние. Или наоборот когда при охлаждении вода замерзает и превращается в твердый лед, также происходит изменение агрегатного состояние вещества под действием тепловых явлений.
В целом в физике к тепловым явлениям относятся следующие процессы:
Различные тепловые явления не только изучаются на уроках физики, но и порой активно применяются на практике в разных жизненных ситуациях. Например, при прокладке железнодорожных рельсов делается специальный зазор, так званный рельсовый стык. Делается он для того, чтобы обеспечить перемещение конца рельса при температурном удлинении/укорочении рельса.
Формулы тепловых процессов
Все процессы изменения температуры, как и процессы перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое можно описать специальными формулами. Часто в таких формулах существует такая величина как теплоемкость, что же она собой представляет? Теплоемкость – то количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть вещество на один градус. Причем важно заметить, что теплоемкость это именно характеристика самого вещества, а не теплоты, так как разные вещества и нагреваться могут по-разному, как и по-разному замерзать, и если мы говорим о жидкостях, то иметь разные температуры кипения.
Эта формула описывает связь массы тела, его теплоемкости и температуры, по сути это математическое описание любого физического процесса нагревания или охлаждения. Q – это обозначение количества теплоты, С – теплоемкость тела, m – его масса, △t – разность температур.
Но для процессов, происходящих со сменой агрегатного состояния вещества будут свои формулы:
Лямбда λ в этой формуле это удельная теплота плавления. Об удельной теплоте плавления на нашем сайте также есть отдельная подробная статья, переходите по ссылке, чтобы ознакомится детальнее.
Эта формула описывает процесс парообразование, L здесь представляет удельную теплоту парообразования.
Видео
И в завершение для закрепление материала рекомендуем посмотреть это образовательное видео о тепловых явлениях, теперь надеемся, вы сможете с легкостью написать контрольную работу по этой теме.